Химический состав организмов

Особенности биохимических реакций

1. Биохимические реакции в клетках живых организмов протека­ют в нейтральной среде, при 37^oС, с высокими скоростями. Анало­гичные химические реакции вне живого организма удается реализо­вать только при высоких значениях температуры часто с использова­нием высокого давления и, как правило, в агрессивных средах.

2. Все биохимические реакции протекают в присутствии биокатализаторов - ферментов.

3. Многие компоненты клеток - высокомолекулярные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

4. Одно и то же химическое соединение может подвергаться множеству различных превращений в зависимости от физико-химичес­ких и физиологических условий, реализующихся в клетке.

5. В клетке действуют четко организованные регуляторные ме­ханизмы, которые обеспечивают согласованность большинства реак­ций, одновременно протекающих в клетке, и дают ей возможность приспосабливаться к изменениям условий существования.

6. Процессы распада веществ до простых соединений являются многостадийными и сопровождаются постепенным выделением энергии, которая запасается в форме особых соединений, например, - нуклеотид три- и дифосфатов.

Химический состав организмов

По современным данным, биомасса единовременно живущих на Земле организмов (около 2 000 000 видов) составляет (1.8-2.4)*10¹² т в пересчете на сухое вещество, причем ими проду­цируется около 10¹¹ т сухого вещества.

В организмах составляющих биомассу Земли обнаружено более 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элемен­тов, встречающихся в составе любого организма, независимо от ви­довой принадлежности и уровня организации последнего. К их числу относят C, H, N, O, P, S, Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo, B, V, Cl, I. Из первых 6 элементов построены жизненно важные сое­динения - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Последую­щие элементы крайне важны для поддержания структуры и функцио­нальной активности биополимеров.

По количественному содержанию в живом организме элементы де­лят на:

1. Макроэлементы - их концентрация превышает 0.001 % - O, C, H, S, P, Ca, K, N, Na, Cl, Fe.

2. Микроэлементы - 0.001-0.000001 % - Mn, Zn, Cu, B, Mo, Co.

3. Ультрамикроэлементы - их содержание в организме не превы­шает 0.000001 % - Hg, Au, U, Ra и др.

Полагают, что H, N, C, O, P составляют вместе более 99 % жи­вого вещества, играют важную роль в явлениях жизни благодаря на­личию определенных свойств:

- способность образовывать кратные связи. Например, С, в сравнении с Si, способен образовывать больше различных соединений.

- атомы этих элементов, имея малые размеры, образуют относи­тельно плотные молекулы с минимальными межатомарными расстояниями.

- это свойство присуще в основном Р и S и в меньшей степени N: эти элементы образуют специфические соединения, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии.

Макро- и микроэлементы в живых организмах присутствуют в ви­де различных химических соединений.

Примерно 75 % биомассы составляет вода, хотя ее содержание у разных организмов сильно может варьироваться (40-50 % - у древес­ных растений, до 99 % - у медузы). Вода образует ту среду, в ко­торой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие посто­янное возобновление живой материи.

Примерно 40-50 % в сухом веществе организмов содержится бел­ка, остальные 50 % представлены нуклеиновыми кислотами, углевода­ми, липидами и минеральными веществами, составляющими около 10 % от сухой массы.

Кроме вышеперечисленных соединений в составе организмов най­дены в незначительных количествах углеводороды, спирты, альдеги­ды, кетоны, карбоновые, кето- и аминокислоты, эфиры, амины и др. Многие из этих соединений обладают мощным физиологическим дейс­твием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их часто называют биологически активными соединениями, хотя химически они очень разнообразны. БАС - витамины, гормоны, коэнзимы, антибиотики, факторы роста и т.д. Сюда же относятся и метаболиты - вещества, возникающие в качестве промежуточных про­дуктов при протекании биохимических реакций в организме.

Соединения, входящие в состав организма, подразделяют на пластические и энергетические вещества. Пластические - служат строительным материалом при формировании клеточных структур (бел­ки, НК, некоторые липиды и ВМ углеводы), энергетические - выпол­няют роль источников энергии для процессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до СО₂ и воду (углеводы - крахмал и гликоген, жиры).

Свойства белков

1. В белках имеются боковые цепи, свободные от связей. Белки - амфотерные электролиты. При изучении химического состава белка было установлено, что в молекуле имеются свободные амино- и карбоксильные группы боковых цепей АК-т, которые в водном растворе находятся в виде ионов NН₃⁺ и СОО ^-. Следовательно, белки в водном растворе должны обладать амфотерными свойствами.

- в щелочных растворах белок играет роль аниона

- в кислы храстворах белок играет роль катиона

Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как аниона или катиона, является значение рН среды или концентрация ионов водорода. При повышении концентрации ионов водорода белок становится катионом, а при понижении - анионом.

Однако при определенных значениях рН число положительно заряженных частиц белка будет равно числу отрицательно заряженных частиц белка, т.е. заряд молекулы белка в целом равен нулю. Такое состояние белка называют изоэлектрическим, а значение рН раствора, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, - изоэлектрической точкой. Изоэлектрическая точка большинства природных белков лежит в слабокислой среде (рН 4.8-5.4). Молекулы таких белков содержат больше карбоксильных групп, чем аминогрупп в боковых цепях.

2. Все белки обладают гидрофильными свойствами, т.е. имеют большое сродство к воде. Стабильность белковой молекулы в растворе обусловлена наличием определенного заряда и гидратной (водной) оболочки. В случае удаления этих двух факторов устойчивости белок выпадает в осадок. Осаждение белка может быть обратимым и необратимым.

Обратимое осаждение белков (высаливание) возможно при действии концентрированных растворов солей, например, сульфата аммония, хлорида натрия, а также органических растворителей. При разбавлении белково-солевых растворов белок вновь переходит в растворимое состояние.

При необратимых реакциях осаждения молекулы белка претерпевают глубокие изменения и становятся неспособными к восстановлению нативной структуры и, следовательно, растворению. Необратимое осаждение белков вызывают соли тяжелых металлов (хлориды олова, свинца, сурьмы), концентрированные кислоты, щелочи.

Нагревание белковых растворов при температурах, близких к 100 ^оС, приводит также к осаждению белка (помутнению водного раствора белка).

Осаждение – это процесс нарушения внутримолекулярной структуры нативной белковой молекулы. Он сопровождается изменением физико-химических и биологических свойств белка. Белок, утративший нативные свойства называется денатурированным, а сам процесс – денатурацией. Факторы, вызывающие денатурацию белка называют денатурирующими агентами. При кратковременном действии денатурированного агента денатурированные белки способны возвращаться в нативное состояние. Этот процесс называется ренатурацией.

3. Белки, вследствие своего высокомолекулярного веса, являются коллоидами. Это означает, что при растворении в воде белки могут образовывать лишь коллоидные растворы. Все растворы в зависимости от величины растворенных частиц подразделяют на истинные, образующие в водных растворах ионы, и коллоидные.

Истинные растворы – растворенные частицы меньше 1 ммк (10^{-7 см),}

коллоидные растворы – растворенные частицы в интервале 1ммк – 1 мк (10^-7 - 10^-4).

Функции белков

1. Каталитическая функция. В организме протекает множество различных химических реакций с очень высокими скоростями, которые невозможно воспроизвести в органической химии. Это обеспечивается за счет ферментов – катализаторов белковой породы, каждый из которых с высокой степенью специфичности ускоряет химическую реакцию.

2. Структурная функция. Белок составляет значительную часть организма. Он входит в состав органов и тканей, участвует в построении оболочек клеток, составляет основную часть волос, ногтей и т.п. На его долю приходится 20% живого веса.

Содержание белка в коже – 27%, в скелете – 20%, в мышцах – 22%, в жировой ткани – 6%, в печени – 22%, в мозге – 11%.

3. Энергетическая функция. При распаде белков в организме выделяется значительное количество энергии, которая обеспечивает другие химические процессы, текущие с ее потреблением. При сгорании 1 г белка выделяется 4,1 ккал.

4. Транспортная функция. В процессе жизнедеятельности организма происходит постоянное обеспечение питательными веществами клеток, которое осуществляется белками. Например, снабжение клеток О₂, удаление СО₂ – осуществляется гемоглобином. Транспорт жирорастворимых веществ – витамины гр. А, Е, К, Д, обеспечивается липопротеидами – сложными веществами, наружная оболочка которых представлена белками.

5. Функция передачи наследственности. В основе передачи наследственности лежат сложные белки – нуклеопротеиды, составными частями которых являются РНК, ДНК и белковая часть - гистоны. ДНК – носитель наследственности, РНК – обеспечивает считывание этой информации и построение белка.

6. Защитная функция. В ходе эволюции животный организм выработал различные защитные механизмы против неблагоприятных факторов внешней и внутренней среды. Так, кожа предохраняет организм от воздействия резких колебаний температуры, солнечной радиации. В ответ на действие болезнетворных микроорганизмов вырабатываются антитела, способствующие торможению вредного воздействия. Основу этих защитных соединений составляют белки.

Функции углеводов

Углеводы выполняют ряд важнейших функций в организме:

1. Энергетическая - углеводы на 60 % обеспечивают организм энергией: 1г - 4.1 ккал.

2. Пластическая - углеводы принимают участие в синтезе важ­ных веществ для организма: нуклеопротеидов, гликолипидов, сложных ферментов. В растениях они выполняют опорную функцию.

3. Запасные вещества - углеводы могут откладываться в орга­низме в виде гликогена, который расходуется по мере надобности.

4. Защитная - из углеводов состоят слизи, они предохраняют стенки полых органов от механических повреждений, проникновения бактерий.

СЛОЖНЫЕ ЛИПИДЫ

Сложными называют липиды, которые в составе молекул содержат кроме спиртов и высших жирных кислот молекулы других соединений. В зависимости от состава их делят на фосфолипиды и гликолипиды.

Фосфолипиды (ФЛ)

Это сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами (ЖК), содер­жащие остатки фосфорной кислоты (ФК) и связанные с нею добавочные группировки (азотистые основания, АК, глицерин).

Из многоатомных спиртов в составе различных фосфолипидов найдено 3: Глицерин, Миоинозит, Сфингозин.

В соответствии с этим фосфолипиды делят на 3 группы:

1. Глицерофосфолипиды

2. Инозитфосфолипиды

3. Сфингофосфолипиды

В качестве высших ЖК в молекулах фосфолипидов содержатся пальмитиновая, стеариновая, линолевая, линоленовая кислоты.

В зависимости от типа фосфолипида в построении его молекулы принимают участие один или два остатка ЖК. ФК входит в состав фосфолипидов, как правило, в количестве одной молекулы.

Азотосодержащие составляющие фосфолипидов разнообразны; наи­более часто встречаются этаноламин, холин и серин.

Фосфолипиды (ФЛ) - твердые вещества жироподобного вида, бесцветны, но быстро темнеют на воздухе, вследствие окисления по двойным связям входящих в их состав непредельных кислот. Хорошо растворимы в органических растворителях. В воде не растворимы, но могут образовывать стойкие эмульсии, а в некоторых случаях - кол­лоидные растворы.

ФЛ образуют комплексы с белками и в виде фосфолипопротеидов входят в состав клеточных мембран.

Гликолипиды

Вторую группу сложных липидов образуют гликолипиды. Они ха­рактеризуются тем, что полярная моно- или олигосахаридная состав­ляющая (глюкоза, галактоза и др.) через остаток многоатомного спирта (глицерин, сфингозин) соединяются с радикалами высших ЖК гликозидной или сложноэфирной связью.

Гликолипиды регулируют рост клеток, взаимодействуют с белковыми токсинами и выполняют ряд других важнейших функций.

Функции липидов

1. Структурная функция. Жиры, стериды, фосфолипиды и диольные липиды распространены повсеместно. Их участие в построении клеточных структур и регуляции биохимических процессов велико.

Липиды образуют с другими органическими соединениями комплексы, играющие важную роль в осуществлении биохимических функций организма. В виде комплексов с белками липиды входят в состав цитоплазматических мембран (ЦПМ), благодаря чему оказывают влияние на важнейшие процессы биологического окисления.

2. Конструктивная функция – при окислении липидов образуются соединения – метаболиты, широко вовлекаемые в биосинтез других соединений.

3. Энергетическая функция – присуща в основном жирам, обеспечивающим организм энергией. Так, при распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется около 40 кДж (9,3 ккал) энергии, тогда как при распаде углеводов или белков – 16 кДж (4,1 ккал).

4. Защитная функция. Жир окружает внутренние органы своеобразной капсулой, предохраняя их от ударов и сотрясений. Служит термоизоляционным материалом, образуя основу подкожных тканей. Липиды предохраняют кожный покров от агрессивного действия воды.